荒漠草原含碳密度探索
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作者：宝力道徐文芳王忠武王静韩国栋单位：内蒙古农业大学
研究的目的和意义
草地是陆地生态系统土地资源的一个重要组成部分，放牧是草地利用的主要传统方式之一，不论何种类型的放牧草地，要使其维持原有的生产能力，确定适宜草场放牧利用强度（载畜率），不但关系到草原生态系统的可持续利用和发展，而且也影响其碳循环和碳截存的过程和特点。
在全球气候变化成为国际上备受瞩目的问题的同时，我国科学家也开始研究土地利用和覆被变化对土壤碳库和碳循环的影响。近几年来，放牧土地的碳分布，碳储量以及放牧管理对碳循环及其生态过程的效应研究受到了土壤，环境，全球变化等研究领域的广泛关注。过度放牧是造成草地退化的根本原因。过度放牧可使草地初级生产固定碳素的能力降低，并且，由于家畜的采食而减少了碳素由植物凋落物向土壤中的输入；过度放牧通过促进草地土壤的呼吸作用从而加速碳素由土壤向大气的释放。而适度放牧可使草原净初级生产力达到最高值，但年际间的变异较大，主要受降水及其它气候条件的影响。
王艳芬等、李凌浩等研究了人类活动对锡林郭勒地区主要草原土壤有机碳的储量随草甸草原－典型草原－荒漠草原逐渐减少，每一个草原类型土壤有机碳含量沿土壤垂直剖面逐渐减低；土壤利用方式不同，土壤有机碳的分布也不同。被称为“生态环境脆弱带”的荒漠草原生态系统，其稳定性较差，自然和认为干扰的“生态冲击”更易导致剧烈的波动，甚至成为＂受害生态系统＂，这就是人们常说的草地退化和草原消失。
为此，针对短花针茅荒漠草原群落进行不同放牧强度对主要植物种群地上碳储量和地下碳储量的比较研究的必要性不言而喻，其目的在于从碳储量的角度定量的分析不同放牧强度对植被的影响，从而为适度放牧的决策和草地资源的可持续利用研究提供依据。为了掌握碳储量，需要研究和测定地上生物量、地下生物量、植被地上含碳量、土壤含碳量。这些变量在不同放牧条件下的细微变化规律需要直接的证据加以证实。从过去的经验看，在过度放牧状况下，地上净初级生产力中仅有20％－50％能够以凋落物和粪便的形式归还土壤，一旦草地土壤遭到开垦和过度放牧破坏，其腐殖质层中的有机碳就会迅速氧化而释放出大量二氧化碳，草地就可能转变成为碳源。经过40a的过度放牧，我国草地表层土壤10－20cm中碳的贮量已降低12．14％。如今，草地畜牧业已经成为我国许多地区的生产和经济支柱。但过度放牧导致草地退化的趋势加剧，而且以每年200万hm2的速度增加。因此必须加强对草地生态系统不同发展阶段（自然与退化生态系统）、不同利用方式及其对气候变化响应的草地生态系统碳循环过程与机理的研究，加强草地生态系统管理。
地下碳截存对不同放牧强度的响应是一个较缓慢的过程，也可以说放牧在一定时间尺度内还不会影响到系统的地下碳截存。而地下根碳截存量主要取决于其根量的多少。有研究表明：在沙地、坡地及干旱环境条件下放牧容易导致土壤侵蚀，从而使有机碳含量较高的表层土壤流失而造成土壤碳损失。当放牧对草地生产力和植被盖度无明显影响，并且未引起土壤侵蚀时，不会造成土壤碳的损失，并且在大多数情况下会由于放牧家畜排泄物的输入和碳周转速率的提高而增加土壤的碳截存。针对草地生态系统碳贮量的研究，在确定植被及土壤的碳贮量，草地NPP及生物量的分布特征时，草地土壤呼吸被认为是草地碳循环中最主要的环节，是目前研究的重点。气候及人类活动（开垦和放牧等）对草地生态系统碳循环的影响，二氧化碳增加对草地碳循环的可能影响等课题已有过多人研究。研究表明：土壤呼吸是全球碳循环中重要的流通途径，土壤呼吸的变化将显著影响大气CO2的浓度。
控制土壤呼吸将能有效缓和大气CO2的升高和温室效应。随着放牧率的增大，牧草地上植物现存量呈线性下降，但地上净初级生产力以适度放牧最大，即存在超补偿性生长。地上最大现存量和最大净初级生产力随着放牧率的增大而出现的日期有提前趋势。二者随着放牧年限的延长下降幅度较大，但降水可以缓和或加剧这些变化趋势。轻度放牧能刺激牧草的生长，具有补偿性或超补偿性生长的特点。过度放牧通过促进草地土壤的呼吸作用从而加速碳素由土壤向大气的释放。而适度放牧可使草原净初级生产力达到最高值，但年际间的变异较大，主要受降水及其它气候条件的影响。在荒漠草原中，草地的放牧利用对草地的碳截存和碳循环作用和影响有很多细节有待详细的一手数据来验证。
试验地自然概况及研究方法
1试验地自然概况
本试验地位于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗荒漠半荒漠化草原试验站。四子王旗位于阴山北麓，地处中温带大陆性季风气候区，春季干旱多风，夏季炎热，≥10℃的年积温为2200℃－2500℃，年均降雨量280mm，湿润度0．15－0．3，降水量主要集中在5月－8月，月平均温度最高为6月、7月、8月3个月，年均气温21．5℃、24．0℃、23．5℃；无霜期175d，土壤以栗钙土和棕钙土为主。试验地的草地类型为短花针茅（StipabrevifloraGriseb）＋冷蒿（Artemisiafrigida）＋无芒隐子草（Cleistogenessongorica）荒漠化半荒漠化草原，植被草层低矮且植被较稀疏，盖度为17－20，种类组成较贫乏，建群种为短花针茅（StipabrevifloraGriseb），优势种为冷蒿（Artemisiafrigida）、无忙隐子草（Cleistogenessongorica），主要伴生种有银灰旋花（Convolvulusammannii）、阿尔泰狗娃花（Heteropappusaltaicus）、木地肤（Kochiaprostrata（L．）Schrad．）、羊草（Leymuschinensis）等。
2试验研究方法
2．1试验设计本项试验采取野外长期观测和实验室样品分析相结合的技术路线，通过野外定位观测，研究不同放牧强度下荒漠半荒漠化草原土壤与植物根系中的碳密度的测定。旨在揭示不同载蓄率下，在轻度放牧、中度放牧、重度放牧对草原地下碳截存的影响、地上初级净生产力的影响及其机理，同时也有助于理解草地生态系统退化和恢复的机制。试验设计如下：实验采用完全随机区组设计，将围栏放牧区划分为3个区组，即3次重复，在每个区组中设4个处理，即4个不同的载畜率水平。4个不同的载畜率处理分别为对照（CK）、轻度载畜率（Lightstockingrate，LG）、中度载畜率（Moderatestockingrate，MG）和重度载畜率（Heavystockingrate，HG），不同重复小区内的4个处理完全随机排列。设定不同的载畜率值分别为0（对照）、0．91（轻度放牧）、1．82（中度放牧）和2．71（重度放牧）羊单位／hm2／半年。
2．2试验方法在4个处理中分别随机选3个1m×1m的样方，将地上部分齐地刈割，并用报纸包好。在每个样方中选3个点取根样，利用根钻（直径7cm）按照0cm－10cm、10cm－20cm、20cm－30cm、30cm－40cm、40cm－50cm、50cm－60cm、60cm－70cm、70cm－80cm、80cm－90cm、90cm－100cm分10层取样，将样品分层装入尼龙网袋，与地上草样一起带回实验室。取回的根样用水洗法将其漂出，装入信封。将根样与草样一起烘干（65℃）称重，得到地上部分、地下部分生物量的值（g／m2）。将根样与草样分别粉碎并过150目的筛，然后用Macro元素分析仪测出含碳量（％）。根据室内试验获得的生物量和含碳量数据，通过公式（1，2，3）计算出植被碳密度（g／m2）的值。
2．3数据处理使用SAS9．0软件及Excel对数据进行标准化、基本统计学分析处理。
结果与分析
1地上生物量及含碳量的变化分析由图2可以看出随着放牧强度增加，地上生物量呈递减趋势。在轻度放牧区地上生物量最高，其值略高于对照区，中度、重度放牧区地上生物量均明显低于对照区。重度放牧区的地上生物量明显低于对照区，只有对照区地上生物量的58．3％，而中度放牧地区与对照区相差不大，这有可能存在实验的人为误差，也可能是由于“中度干扰假说”造成的。根据生态学中经典的“中度干扰假说”，有人提出了放牧优化假设，认为草地植被生物量与放牧强度之间的关系是非线性的，即随着放牧强度的增加，草地的生物量先增加，然后才随放牧率的增加而下降。重度放牧区与轻度放牧区地上生物量差异显著（P＜0．05）。实验显示的结果与这一假设相符。轻度放牧的影响作用是否由于“虽然家畜的采食会对植物的生长有一定的影响，但是家畜的粪便添加到土壤中可以为植物的生长提供肥料，有利于植物的生长，因此体现出轻度放牧区生物量高于对照区的特点”还有待商榷。至于中度与重度放牧区，有过多的家畜对植物进行采食、践踏、减少光合面积等破坏活动，放牧强度大的处理，由于前期地上生物量较低，即地上叶面积指数过低，使草地初级生产固定碳素的能力降低，加上不断的高强度采食而减少了碳素由植物凋落物向土壤中的输入，因而影响了牧草的再生，而使这两个区中的植被地上生物量低于对照区。
影响植被地上部分碳密度的另一因素就是植被的含碳量。植被地上部分的含碳量仍然呈现出轻度放牧区最高，而重度放牧区最低的特点。植被含碳量在各个区中虽然有变化，但是方差分析显示4个区中含碳量值差异不显著（P＞0．05）。中度放牧区地上植被的含碳量与轻度放牧区相比只下降了1．59％，而含碳量值最低的重度放牧区比轻度放牧区相比也只下降了13．82％。可见植被体内的含碳量的变化不是很显著，放牧对其产生的影响并不大。
2植被地下生物量及含碳量的变化分析草地生物量的80％以上集中在地下，地下生物量是土壤有机碳库的最主要输入源，在草地生态系统碳循环中起着关键作用。地下碳截存对不同放牧强度的响应是一个较缓慢的过程，与地上生物量的变化存在一定的时滞，也就是说，放牧在即时影响地上生物量的同时，在一定时间尺度内还不会影响到系统的地下碳截存。而地下根碳截存量主要取决于其根量的多少。由图3可以看出放牧会使植物地下生物量减小，各放牧区的地下生物量均低于对照区。轻度放牧区地下生物量是对照区的88．17％，与对照区的差异不显著（P＞0．05），中度和重度放牧区的地下生物量相差不大，分别只占对照区地下生物量的79．90％和72．20％，这两个区与对照区的差异显著（P＜0．05）。可见放牧对植物地下生物量产生的影响与其对地上生物量的影响不同，该影响是间接的、长效的、复杂的。轻度放牧区地上生物量较对照区高，而地下则恰好相反，这是因为放牧使光合产物分配给地上部分的总量大于地下部分，以补偿地上生物量因家畜采食而降低光合效率的负面效应，这是植物为抵抗采食而长期进化形成的生长机制，但是过大的放牧强度（中度和重度放牧）对植物产生的影响较严重，超出其自身调节能力的范围，必将导致地上和地下生物量的共同下降。而地下部分的含碳量为轻度放牧区最高，其次为对照区，中度与重度放牧区最低。方差分析显示这四个区中的含碳量值差异不显著（P＞0．05）。与地上部分相比地下部分的含碳量更稳定，含碳量相差最大的两个区才相差1．10％。
3总植被碳密度变化由图4我们可以看出不同放牧强度下草地植被碳密度的变化情况，其中对照区的碳密度最高达到620．3g／m2，其次为轻度放牧条件下的碳密度为506．4g／m2，中度放牧条件下的碳密度为465．1g／m2，重度放牧植被碳密度最低401．4g／m2。与对照区相比较，轻度放牧区的碳密度减少了18％，中度放牧区碳密度减少了25％，重度放牧区碳密度减少了35％。可以看出，随着放牧强度的增加，植被碳密度逐渐降低。轻度放牧有可能有利于植被的生长，而重度放牧有可能已经超出了植被自身的调节能力，而使植被碳密度降低。
讨论与结论
1讨论
1．1不同放牧强度对植被生物量的影响生物量是决定草地碳密度的因素之一，放牧主要通过影响草地的生物量来改变草地的碳密度。家畜的选择采食和践踏作用对群落的组成影响很大，对群落多样性影响也很大。适度的采食与践踏及适宜的采食周期，可以增加植物群落水平的多样性，降低植物群落优势种的竞争能力，并可创造一定的物理空隙，有助于光、水分和营养的更好利用。采食对植物群落多样性的影响取决于采食强度、地段的地质演化特征及其气候条件。适度放牧对草原生态系统没有负面影响，或有积极的影响，而长期超载过牧则会使系统崩溃。
根据本实验对短花针茅荒漠草原碳截存的研究，随着放牧强度的增加，地上生物量总体呈递减趋势，但在轻度放牧条件下，植被生物量高于对照区。而地下生物量一般空间变化规律随着土壤的深度逐渐减少。地下生物量随不同载畜量的变化特点还有待进一步观察研究。草场放牧必然会给草场带来影响，如何进行放牧管理，目前世界上发达的国家都采用划区轮牧，自由放牧对草场是有害的，主要表现在放牧强度不均匀，局部草场因过牧而退化，划区轮牧恰恰能控制放牧强度。
1．2不同放牧强度对植被含碳量的影响决定植被生物量的另一因素是含碳量。放牧对草地植被的影响国内外学者已做了大量研究工作，取得了很多成果，但也存在许多问题。
不同的放牧强度对草地群落的结构有不同程度的破坏，过度放牧不仅造成草地层次结构不明显，使优良牧草大幅度减少，毒害草不断增加，而且也改变了草地土壤的理化性质，使营养物质损失；另一方面，大量积累的畜粪影响其取食，又造成草地资源的浪费，而适度放牧不但能促进牧草生长发育，提高牧草再生能力及营养价值，保持草地较高的利用率，而且保护了草地的植物多样性，是维持群落稳定，防止草地退化，有利于草地持续利用的重要措施。通过本实验研究，随着放牧强度的增加，对地下含碳量的影响并不大，或者可以说放牧对地下碳截存的影响是一个较缓慢的过程，在一定时间尺度内还不会影响到系统的地下碳截存。
2结论
过度放牧对荒漠草地植被、土壤及周围环境的负面影响极大。放牧对草地植被地上部分碳密度的影响，主要体现在生物量上，轻度放牧下草地地上生物量最大，其值高于对照区。中度和重度放牧使植被地上生物量减少，这两个区中地上生物量的值均低于对照区。与生物量相比植被含碳量的值在放牧干扰下比较稳定，轻度放牧区比其它区略高。一般情况下，轻度放牧或中度放牧会增加种的多样性；反映出放牧对草原群落的影响的公认结论：适当的放牧使群落资源丰富度和复杂程度增加，维持了草原植物群落的稳定，有利于提高群落的生产力。
相对于地上部分的变化，放牧对植被地下部分的影响机制比较复杂。各个放牧区地下部分的生物量均低于对照区，且该值随着放牧强度的增加而减少。而含碳量的值仍然比较稳定，基本不受放牧干扰。综合放牧对地上及地下部分碳密度的影响，草地植被总碳密度是对照区最高，且植被总碳密度值随着放牧强度的增加而减小。放牧主要通过改变植被生物量来影响草地植被碳密度，含碳量的值比较稳定基本不受放牧干扰。